KR20130092829A - 질화물 반도체 발광소자의 제조방법 - Google Patents
질화물 반도체 발광소자의 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20130092829A KR20130092829A KR1020120014370A KR20120014370A KR20130092829A KR 20130092829 A KR20130092829 A KR 20130092829A KR 1020120014370 A KR1020120014370 A KR 1020120014370A KR 20120014370 A KR20120014370 A KR 20120014370A KR 20130092829 A KR20130092829 A KR 20130092829A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- light emitting
- polarity
- semiconductor layer
- emitting device
- nitride semiconductor
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 103
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 title claims abstract description 37
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 31
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 71
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 35
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 31
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 11
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 11
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 10
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 claims description 10
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical group [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 claims description 5
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 claims description 4
- 229910010093 LiAlO Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910020068 MgAl Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims description 2
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 claims 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 abstract description 11
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 70
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 description 11
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 4
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 2
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000005686 electrostatic field Effects 0.000 description 1
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 1
- 238000010849 ion bombardment Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 description 1
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 1
- 230000005701 quantum confined stark effect Effects 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/26—Bombardment with radiation
- H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
- H01L21/268—Bombardment with radiation with high-energy radiation using electromagnetic radiation, e.g. laser radiation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/005—Processes
- H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
- H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
- H01L33/007—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/16—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular crystal structure or orientation, e.g. polycrystalline, amorphous or porous
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/26—Materials of the light emitting region
- H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
- H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
본 발명은 Ⅲ족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것으로, Ⅲ족 원소 극성을 갖는 제1 표면과 상기 제1 표면의 반대면에 위치하며 질소 극성을 갖는 제2 표면을 갖는 반도체층을 기판 상에 형성하는 단계; 상기 제2 표면 중 적어도 하나의 영역에 레이저를 조사하여 상기 제2 표면을 Ⅲ족 원소 극성으로 변환하는 단계; 상기 반도체층 상에 상기 반도체층의 극성과 같은 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층으로 구성된 발광구조물을 형성하는 단계; 및 상기 발광구조물의 질소 극성을 식각하여 선택적으로 제거하는 단계를 포함함으로써, 반도체층 내의 분극현상이 감소되어 발광효율이 향상될 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것이다.
반도체 발광다이오드(Light emitting diode: LED)는 소자 내에 포함되어 있는 물질이 빛을 발광하는 소자로서, 접합된 반도체의 전자와 정공이 재결합하며 발생하는 에너지를 광으로 변환하여 방출한다. 이러한 LED는 현재 조명, 표시장치 및 광원으로서 널리 이용되며 그 개발이 가속화되고 있는 추세이다.
특히, 최근 그 개발 및 사용이 활성화된 질화갈륨(GaN)계 발광다이오드를 이용한 휴대폰 키패드, 사이드 뷰어, 카메라 플래쉬 등의 상용화에 힘입어, 발광다이오드를 이용한 일반 조명 개발이 활기를 띠고 있다. 대형 TV의 백라이트 유닛 및 자동차 전조등, 일반 조명 등 그의 응용제품이 소형 휴대제품에서 대형화, 고출력화, 고효율화된 제품으로 진행하여 해당 제품에 요구되는 특성을 나타내는 광원을 요구하게 되었다.
이와 같은 발광 다이오드의 낮은 광추출 효율을 개선하기 위하여, 발광 다이오드의 외부양자효율과 내부양자효율을 향상시키기 위한 다양한 방법들이 제안되고 있다.
당 기술분야에서는 반도체층 내의 분극현상이 감소되어 발광효율이 향상될 수 있는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법이 요구되고 있다.
상기한 기술적 과제를 실현하기 위해서, 본 발명의 일측면은 Ⅲ족 원소 극성을 갖는 제1 표면과 상기 제1 표면의 반대면에 위치하며 질소 극성을 갖는 제2 표면을 갖는 반도체층을 기판 상에 형성하는 단계; 상기 제2 표면 중 적어도 하나의 영역에 레이저를 조사하여 상기 제2 표면을 Ⅲ족 원소 극성으로 변환하는 단계; 상기 반도체층 상에 상기 반도체층의 극성과 같은 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층으로 구성된 발광구조물을 형성하는 단계; 및 상기 발광구조물의 질소 극성을 식각하여 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 Ⅲ족 질화물 반도체의 제2 표면에 레이저를 조사하는 단계 전에, 상기 제2 표면에 질소 공극에 의한 결함을 갖는 결정손상층을 형성하는 단계를 더 포함할 수도 있으며, 상기 결정손상층을 형성하는 단계는, 상기 제2 표면에 플라즈마 처리 또는 이온빔 조사를 적용하는 단계일 수 있다.
이때, 상기 결정손상층은 10Å ~ 100Å 의 두께일 수 있으며, 상기 제1 표면은 기판의 일 면과 접하여 형성될 수 있다.
상기 Ⅲ족 질화물 반도체는 AlxInyGa(1-x-y)N 으로 표현되며, 여기서 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1 일 수 있으며, 상기 Ⅲ족 원소 극성은 갈륨(Ga) 극성일 수 있다.
또한, 상기 발광구조물의 질소 극성을 식각하여 선택적으로 제거하는 단계는, 화학적 습식식각에 의해 실행될 수 있으며, 상기 화학적 습식 식각에 사용되는 용액은 KOH, H2SO4 및 H2PO4 중 어느 하나일 수 있다.
이때, 상기 발광 구조물은 MOCVD 또는 MBE에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
또한, 상기 기판은 사파이어, SiC, Si, MgAl2O4, MgO, LiAlO2 , LiGaO2 또는 GaN 일 수 있다.
덧붙여, 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시예를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
상술된 질화물 반도체 발광소자 제조방법은, 반도체층 내의 분극현상이 감소되어 발광효율이 향상된 질화물 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자의 제조방법의 일 예를 설명하기 위한 각 공정별 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 의해 제조된 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.
도 8은 도 5의 공정 중인 질화물 반도체 발광소자를 상부에서 촬영한 SEM사진이다.
도 9는 도 8에 도시된 기판의 A부분을 확대한 SEM사진이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 의해 제조된 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.
도 8은 도 5의 공정 중인 질화물 반도체 발광소자를 상부에서 촬영한 SEM사진이다.
도 9는 도 8에 도시된 기판의 A부분을 확대한 SEM사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명한다.
이러한 실시예는 본 발명에 대하여 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범위를 예시하기 위해 제공되는 것이다. 그러므로 본 발명은 이하의 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 특허청구범위가 제시하는 다양한 형태로 구현될 수 있다. 따라서, 도면에 도시된 구성요소들의 형상, 크기 및 두께 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 도면 상에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 참조부호를 사용할 것이다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자의 제조방법의 일 예를 설명하기 위한 각 공정별 단면도이다.
본 발명의 제1 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자(100)의 제조방법은 제1 표면(121)과 제2 표면(122)을 갖는 반도체층(120)을 기판(110) 상에 형성하는 단계, 상기 제2 표면(122)에 레이저를 조사하여 상기 제2 표면(122)의 극성을 변환하는 단계, 상기 반도체층(120) 상에 상기 반도체층(120)의 극성과 같은 발광구조물(130)을 형성하는 단계 및 상기 발광구조물(130)을 식각하는 단계를 포함한다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(110)을 마련한 후, 상기 기판(110) 상에 제1 표면(121)과 제2 표면(122)을 갖는 반도체층(120)을 형성한다.
상기 기판(110)은 사파이어, 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘(Si), MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2 또는 GaN 중의 어느 하나를 사용할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 본 실시예에서는 사파이어 기판을 사용할 수 있다.
상기 기판(110) 상에는 반도체층(120)이 형성된다. 상기 반도체층(120)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식을 갖는 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 대표적으로, GaN, AlGaN, InGaN이 사용될 수 있다. 이때, 상기 x, y 값은 각각 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1 의 범위 내로 할 수 있다.
상기 반도체층(120)은 제1 표면(121)과 반대면에 위치하는 제2 표면(122)을 포함한다. 이 경우, 상기 제1 표면(121)은 Ⅲ족 원소 극성을 가지며, 상기 제2 표면(122)은 질소 원소 극성을 갖는다. 본 실시예에서는 상기 Ⅲ족 원소가 갈륨(Ga)일 수 있다.
구체적으로, 상기 반도체층(120)의 Ⅲ족 원소와 질소 원소는 Wurtzite 결정 구조를 갖는 것으로, 상기 제1 표면(121)에는 Ⅲ족 원소들이 배열되며, 상기 제2 표면(122)에는 질소 원소들이 배열된 구조를 갖는다. 즉, 상기 반도체층(120)의 극성은 표면에 배열된 원소에 따라 결정된다.
본 실시예에서는 상기 기판(110)과 접하는 면에 Ⅲ족 원소 극성을 갖는 제1 표면(121)이 형성되며, 상기 제1 표면(121)의 반대면에는 질소극성을 갖는 제2 표면(122)이 형성된다.
일반적으로, 사파이어 기판 상에 형성된 GaN 반도체층을 형성하면, 사파이어 기판과 접하는 면에 질소 원소 극성을 가지는 면이 형성되고, 노출된 반대면에는 갈륨 원소 극성을 갖는 면이 형성된다. 그러나, 특정한 성장조건 하에서는 반도체층을 성장시키면 사파이어 기판과 접하는 면에 갈륨 원소 극성을 갖는 면이 형성되고, 노출된 반대면에는 질소 원소 극성을 갖는 면이 형성되게 할 수 있다.
구체적으로, 사파이어 기판의 온도를 약 760℃로 유지한 채, 질소가스를 조절하며 분자빔성장법(molecular beam epitaxy : MBE)에 의해 GaN 반도체층을 성장시키면, 상기와 같이 노출된 상부면에 질소 원소 극성을 갖는 면이 형성되게 할 수 있다.
또한, 사파이어 기판 상에 AlN 버퍼층을 형성하고, 그 위에 MBE법에 의해 GaN을 성장시키는 경우에도 상기와 같이 노출된 상부면에 질소 원소 극성을 갖는 면이 형성되게 할 수 있다.
상기와 같이 질소 원소 극성을 갖는 면을 상부면에 노출시키는 이유는 질소 원소 극성을 갖는 면이 레이저 조사에 의해 용이하게 갈륨 원소 극성으로 변경되기 때문이다. 반면에, 갈륨 원소 극성을 갖는 면은 상대적으로 안정하기 때문에 레이저 조사에 의해 질소 원소 극성으로 변환되기 어렵다.
그 다음으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제2 표면(122) 중 적어도 하나의 영역에 레이저를 조사하여 상기 제2 표면(122)을 Ⅲ족 원소 극성으로 변환한다.
레이저를 조사함으로써, 상기 반도체층(120)의 제2 표면(122) 상에, 후속 공정에서 식각이 될 영역과 식각이 되지 않을 영역을 지정할 수 있는데, 이와 같은 식각 특성의 차이는 상기 반도체층(120)의 극성 차이로 인한 것이다. 앞서 설명한 바와 같이, 질소 극성을 갖는 면은 식각이 용이하며, Ⅲ족 원소 극성을 갖는 면은 식각이 용이하지 않은 특성의 차이가 있다. 따라서, 제2 표면(122) 상에 식각이 되지 않아야 될 부분에 레이저를 조사하여 갈륨 극성으로 변경시키면, 극성이 변경되지 않은 질소 극성 부분만 식각되는 것이다.
이때, 상기 레이저는 193㎚ 엑시머 레이저, 248㎚ 엑시머 레이저 및 308㎚엑시머 레이저, Nd:YAG 레이저, He-Ne 레이저 및 Ar 이온 레이저 중 적어도 어느 하나가 이용될 수 있다. 레이저를 조사하는 것 외에, 일정한 열 에너지를 통해 제2 표면(122) 상에 불규칙하게 배열된 Ⅲ족 원소와 질소원소를 재배열시킬 수 있는 방법을 이용할 수도 있다. 예를 들어, 이온빔이나 어닐링 같은 방법을 이용할 수 있다.
또한, 레이저를 조사하기 전에, 플라즈마 처리 또는 이온빔 조사를 통해 제2 표면(122)으로부터 일부 두께층에 질소 공극이 발생하여 Ⅲ족 원소와 질소 원소들을 불규칙하게 배열된 결정손상층(미도시)을 형성할 수도 있다. 구체적으로는, 플라즈마 처리 또는 이온빔 조사에 의해 제2 표면(122)이 비정질 형태, 다결정 형태 또는 Ⅲ족 원소 리치형태가 되게 할 수 있다. 이때, 상기 결정손상층은 10Å ~ 100Å 의 두께로 형성할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제2 표면(122)상의 식각이 되지 않아야 할 부분에 레이저를 조사하면, 질소 극성이 Ⅲ족 원소 극성으로 변환된다. 구체적으로, 레이저 조사를 통해 제2 표면(122)에 불규칙하게 배열된 Ⅲ족 원소와 질소 원소들이 재결정화되어, 제2 표면(122)에 Ⅲ족 원소가 배열된 구조를 갖게 된다. 이는, 표면 상에 질소 원소보다는 Ⅲ족 원소가 배열되는 것이 안정적이기 때문에 나타나는 현상으로, Ⅲ족 원소와 질소 원소가 불규칙하게 배열된 상태에서 레이저가 조사되면 상대적으로 안정한 결정 구조를 갖는 Ⅲ족 원소가 제2 표면(122a)에 배열된다. 이에 따라, 제2 표면(122) 상에는 Ⅲ족 원소 극성으로 변환된 영역(122a)과 질소 극성을 갖는 영역(122b)이 존재하는 형태가 된다.
그 다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 반도체층(120)의 극성과 같은 제1 도전형 반도체층(131a 131b), 활성층(132a, 132b) 및 제2 도전형 반도체층(133a, 133b)으로 구성된 발광구조물(130a, 130b)을 형성한다. 이때, 상기 발광 구조물은 MOCVD 또는 MBE에 의해 형성될 수 있다.
상기 발광구조물(130a, 130b)은 상기 제2 표면(120)에 형성된 Ⅲ족 원소 극성으로 변환된 영역(122a)과 질소 극성을 갖는 영역(122b) 상에 상기 반도체층(120)과 동일한 조성식을 갖는 반도체 물질로 형성할 수 있으며, 이와 같이 동일한 조성식을 갖는 반도체 물질로 발광구조물(130a, 130b)을 형성하면, 상기 제2 표면에 형성된 극성과 동일한 극성을 가진 발광구조물이 성장된다.
이와 같이, 상기 제2 표면(122)에 형성된 극성과 동일한 극성을 가진 발광구조물(130)을 성장시키면, 상기 반도체층 내부의 분극 현상을 방지할 수 있다. 분극 현상은 발광소자의 발광효율을 저하시키는 요소 중 하나로, 분극 현상이 제거되면, 발광소자의 발광 효율 향상을 기대할 수 있다.
이를 구체적으로 설명하면, 일반적으로 Wurtzite 결정 구조를 갖는 질화물 반도체 발광소자는 기판에 수직인 c축에 우선 배향된 형태로 성장하는데, 이때 분극효과(polarization effect)가 발생한다. 특히 GaN계 화합물은 c축 방향을 따라 한쪽은 Ga원자가 배치되고, 다른 한쪽에는 N원자가 배치되는 구조가 되어, 평형상태에서도 자발분극(spontaneous polarization)을 가지게 된다.
또한, 이종접합 구조를 형성할 때 Ⅲ족 질화물 간의 큰 격자 상수차이로 인한 응력이 발생하여 압전분극(piezoelectric polarization)도 함께 생기게 된다. 이와 같이, 두개의 분극으로 유발된 정전기장은 양자우물 구조 에너지 밴드구조를 변화시켜 전자와 정공의 분포를 왜곡시키게 된다.
이와 같이, 전계에 의해서 전자와 정공이 공간적으로 분리되는 현상을 양자 속박 효과(quantum confined stark effect: QSCE)라 하는데, 이는 발광소자 내의 내부양자효율을 저하시키고, 발광스펙트럼의 적색편이(red shift)현상 및 전류인가 증가에 따른 파장의 청색편이(blue shift)현상을 유발하며, 높은 문턱전압을 갖게하는 데에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.
상기와 같은 방법에 의해 반도체층의 극성을 변환시킨 후, 반도체층을 성장시키면 발광구조물(130)을 하나의 극성으로 형성할 수 있으므로 양 표면의 극성 차이에 의해 발생하는 자발 분극 현상을 개선할 수 있게 된다. 이에 따라, 갈륨 극성을 갖는 양면에서의 표면 밴드 특성이 유사하게 나타나며, 오믹 접촉 저항이 낮아 정전압 및 누설 전류를 감소시킬 수 있게 된다. 이에 따라, 질화물계 반도체 발광소자(100)의 전기적 특성이 향상될 수 있게 되는 것이다.
이때, 상기 발광구조물(130)은 제1 도전형 반도체층(131), 활성층(132) 및 제2 도전형 반도체층(133)을 포함하며, 상기 제1 도전형 반도체층(131)은 n형 반도체층을, 상기 제2 도전형 반도체층(133)은 p형 반도체층을 포함할 수 있다.
상기 n형 반도체층 및 p형 반도체층은 상기 기판(110)에 형성되어 있는 상기 반도체층(120)과 동일한 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식을 갖는 n형 불순물 및 p형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 사용될 수 있으며, 상기 p형 불순물로는 Mg, Zn 또는 Be 등이 대표적이다.
본 실시예에서는 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(131, 133)으로 GaN층을 사용할 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층(131)으로 n-GaN을, 상기 제2 도전형 반도체층(133)으로 p-GaN을 사용할 수 있다.
상기 발광구조물(130)은 유기금속 기상증착법(metal organic chemical vapor deposition: MOCVD) 및 분자빔성장법(molecular beam epitaxy: MBE) 등으로 성장될 수 있다.
상기 활성층(132)은 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 적층된 다중양자우물구조로 이루어지되, 예를 들어 AlxInyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물구조(multiple quantum well: MQW)로서 형성되어 소정의 밴드 갭을 가지며, 이와 같은 양자 우물에 의해 전자 와 정공이 재결합되어 발광한다. 상기 활성층(132)은 가시광(약 350㎚∼680㎚ 파장범위)을 발광하기 위한 층일 수 있으며, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(131, 133)과 동일하게 유기금속 기상증착법 및 분자빔성장법 등으로 성장될 수 있다.
한편, 도 4에는 직접적으로 도시되어 있지 않으나, 상기 발광구조물(130a)을 상기 제1 도전형 반도체층(131a)의 일부가 노출되도록 메사 식각한 후, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(131a, 133a) 상의 일 영역에 각각 전극을 형성할 수 있다.
이때, 상기 전극은 ITO, Ni, Au, Ag, Ti, Cr 및 Cu로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 단일층 또는 복수층으로 형성될 수 있으며, 화학기상증착법 및 전자빔 증발법과 같은 공지의 증착 방법 또는 스퍼터링 등의 공정에 의해 형성될 수 있다.
그 다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 질소 극성을 가지는 발광구조물(130b)를 식각하여 선택적으로 제거한다.
구체적으로, Ⅲ족 원소 극성을 갖는 영역(130a)과 질소 극성을 갖는 영역(130b)이 포함된 발광구조물(130)의 표면을 화학적 습식식각에 의해 식각한다.
상기 화학적 습식 식각에 사용되는 식각 용액은 KOH, H2SO4 및 H2PO4 중 어느 하나일 수 있다. Ⅲ족 원소 극성을 갖는 영역(130a)은 식각 용액과 반응성이 낮으므로, 식각공정에서 하부의 반도체층이 식각되는 것을 방지하는 마스크의 기능을 할 수 있다.
도 8은 도 5의 공정 중인 질화물 반도체 발광소자를 상부에서 촬영한 SEM사진으로서, 질소 극성을 갖는 영역(130b)만 식각 되는 것을 확인할 수 있다. 도 9는 도 8에 도시된 기판의 A부분을 확대한 SEM사진이다.
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 화학적 습식식각이 완료되면, 개별 발광구조물이 분리된다.
본 실시예의 경우 상기 기판(110)으로 사파이어 기판을 사용하였으므로, 상기와 같은 화학적 습식식각에 의해 상기 기판(110)이 식각되지 않으나, 앞서 설명한 바와 같이, GaN 기판을 사용한 경우에는, 기판까지 한번에 식각되어 분리될 수 있다. 이러한 예는 후술할 제2 실시예에서 설명한다.
이와 같이, 화학적 습식식각에 의해 발광구조물을 분리하면, 플라즈마 반응 이온 식각(inductive coupled plasma reactive ion etching: ICP-RIE)과 같은 물리적 식각법에 의해 발광구조물을 분리하는 경우에 비해 반도체층의 손상이 감소되는 효과가 있다. ICP-RIE로 발광구조물을 식각한 경우, 플라즈마 이온 충돌에 의해 발광구조물이 손상될 수 있으며, 이와 같은 손상은 발광소자의 광추출효율을 저하시키는 요소로 작용한다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자의 제조방법에 의해 제조된 질화물 반도체 발광소자(100')의 단면도이다.
본 발명의 제2 실시예는 GaN기판(110')을 사용하여 발광구조물(130a)를 형성한 예로서, 앞서 설명한 바와 같이, 화학적 식각공정을 통해 상기 발광구조물(130a)과 기판(110')이 한번에 식각되어 분리되므로, 기판을 식각하기 위한 추가적인 공정이 필요 없게 되어 제조공정이 더욱 간편하게 될 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 제2 실시예에 의한 질화물 반도체 발광소자(100') 제조방법은, 먼저 앞서 설명한 상기 발광구조물(130a)을 GaN 기판(110') 상에 형성한 후에, 상기 제1 도전형 반도체층(131a)을 메사 식각한다.
그 다음으로, 전극(140, 150)을 형성하고 화학적 습식식각 공정을 통하여 개별 발광구조물(130a)과 기판(110')이 포함된 질화물 반도체 발광소자(100')를 분리한다. 이와 같은 방법에 의해 제조된 질화물 반도체 발광소자는 화학적 식각공정에 의해 기판과 발광소자가 한번에 분리되므로, 공정이 간편한 장점이 있다.
100, 100': 질화물 반도체 발광소자
110, 110': 기판
120: 반도체층
121: 제1 표면
122: 제2 표면
122a: Ga면
122b: N면
130, 130a, 130b: 발광구조물
131, 131a, 131b: 제1 도전형 반도체층
132, 132a, 132b: 활성층
133, 133a, 133b: 제2 도전형 반도체층
140: 제1 전극
150: 제2 전극
110, 110': 기판
120: 반도체층
121: 제1 표면
122: 제2 표면
122a: Ga면
122b: N면
130, 130a, 130b: 발광구조물
131, 131a, 131b: 제1 도전형 반도체층
132, 132a, 132b: 활성층
133, 133a, 133b: 제2 도전형 반도체층
140: 제1 전극
150: 제2 전극
Claims (11)
- Ⅲ족 원소 극성을 갖는 제1 표면과 상기 제1 표면의 반대면에 위치하며 질소 극성을 갖는 제2 표면을 갖는 반도체층을 기판 상에 형성하는 단계;
상기 제2 표면 중 적어도 하나의 영역에 레이저를 조사하여 상기 제2 표면을 Ⅲ족 원소 극성으로 변환하는 단계;
상기 반도체층 상에 상기 반도체층의 극성과 같은 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층으로 구성된 발광구조물을 형성하는 단계; 및
상기 발광구조물의 질소 극성을 식각하여 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 Ⅲ족 질화물 반도체의 제2 표면에 레이저를 조사하는 단계 전에,
상기 제2 표면에 질소 공극에 의한 결함을 갖는 결정손상층을 형성하는 단계를 더 포함하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
- 제2항에 있어서,
상기 결정손상층을 형성하는 단계는, 상기 제2 표면에 플라즈마 처리 또는 이온빔 조사를 적용하는 단계인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
- 제2항에 있어서,
상기 결정손상층은 10Å ~ 100Å 의 두께인 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 표면은 기판의 일 면과 접하여 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 Ⅲ족 질화물 반도체는 AlxInyGa(1-x-y)N 으로 표현되며, 여기서 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1 인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 Ⅲ족 원소 극성은 갈륨(Ga) 극성인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 발광구조물의 질소 극성을 식각하여 선택적으로 제거하는 단계는,
화학적 습식식각에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
- 제8항에 있어서,
상기 화학적 습식 식각에 사용되는 용액은 KOH, H2SO4 및 H2PO4 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 발광 구조물은 MOCVD 또는 MBE에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 기판은 사파이어, SiC, Si, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2 또는 GaN 인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120014370A KR20130092829A (ko) | 2012-02-13 | 2012-02-13 | 질화물 반도체 발광소자의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120014370A KR20130092829A (ko) | 2012-02-13 | 2012-02-13 | 질화물 반도체 발광소자의 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20130092829A true KR20130092829A (ko) | 2013-08-21 |
Family
ID=49217422
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020120014370A KR20130092829A (ko) | 2012-02-13 | 2012-02-13 | 질화물 반도체 발광소자의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20130092829A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108336193A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-07-27 | 华灿光电(苏州）有限公司 | 一种发光二极管外延片的制备方法 |
| KR20220086464A (ko) * | 2020-12-16 | 2022-06-23 | 한국과학기술원 | 양자광원의 단광자 순수도 향상 방법 |
-
2012
- 2012-02-13 KR KR1020120014370A patent/KR20130092829A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108336193A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-07-27 | 华灿光电(苏州）有限公司 | 一种发光二极管外延片的制备方法 |
| KR20220086464A (ko) * | 2020-12-16 | 2022-06-23 | 한국과학기술원 | 양자광원의 단광자 순수도 향상 방법 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100661614B1 (ko) | 질화물계 반도체 발광소자 및 그 제조방법 | |
| US20140191192A1 (en) | Semiconductor light-emitting device | |
| TWI445204B (zh) | 具有漸變含量之電洞穿隧層之發光元件 | |
| JP5568009B2 (ja) | 半導体発光素子及びその製造方法 | |
| KR20130022815A (ko) | 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법 | |
| KR20120126981A (ko) | 무분극 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법 | |
| WO2016125833A1 (ja) | 発光素子、及び発光素子の製造方法 | |
| US20110303931A1 (en) | Semiconductor light emitting diode and method for fabricating the same | |
| KR20130092829A (ko) | 질화물 반도체 발광소자의 제조방법 | |
| KR20110117963A (ko) | 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조방법 | |
| KR101313645B1 (ko) | 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법 | |
| KR20100024154A (ko) | 발광 다이오드 | |
| TWI545798B (zh) | Nitride semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof | |
| KR101876576B1 (ko) | 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법 | |
| TW201633560A (zh) | 發光元件 | |
| KR20130127209A (ko) | 질화갈륨계 반도체 발광소자의 제조방법 | |
| KR20120095652A (ko) | 반도체 발광소자 | |
| KR20110132159A (ko) | 반도체 발광소자 및 그 제조방법 | |
| KR101903359B1 (ko) | 반도체 발광소자 | |
| KR20110100569A (ko) | 질화물 반도체 소자 | |
| CN116960242A (zh) | 一种发光二极管及其制作方法 | |
| US9209349B2 (en) | Method of fabricating nitride semiconductor light emitting device | |
| Tahan et al. | Light emitting diode (led) chip fabrication using low temperature processes | |
| KR20130139099A (ko) | 반도체 발광소자 및 그 제조방법 | |
| KR101414652B1 (ko) | 질화물 반도체 발광 소자 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| N231 | Notification of change of applicant | ||
| WITN | Withdrawal due to no request for examination |